金属粉末燃料供应与燃烧的数值研究

摘要

超空泡鱼雷的出现使得现代海战的攻防态势发生了重大改变，然而传统水下兵器动力系统无法满足超空泡鱼雷的性能需求。铝/水反应拥有突出的能量性能，使用外界水作为氧化剂和推进工质更使得冲压原理得以在水下实现，大大提高了鱼雷的速度以及比冲性能。伴随着世界海军现代化的进程以及海洋权益争夺的日趋激烈，水冲压发动机拥有广阔应用前景。粉末式水冲压发动机拥有比药柱式水冲压发动机更高的推进性能，其内部主要包括粉末供应装置以及燃烧室两个部分。使用FLUENT软件对该两部分进行总体构型设计，并对其工作状态开展相应的数值模拟研究，对发动机设计以及性能优化有较高的参考价值。
　　本文提出了超压密封纳米铝粉供应装置，以欧拉模型为理论基础，运用数值模拟详细分析了纳米铝粉供应起始段、稳定段、结束段流域特点以及流量数据。为铝粉供应装置的大型化、简单化提供了可能。使用EDC模型对燃烧室中不同稳燃装置的燃烧特性进行数值模拟，比较分析不同装置的稳燃效果，对比采用钝体稳定器燃烧室、大速差稳焰器燃烧室、预混突扩燃烧室结构的燃烧性能后，最终选择大速差稳定器燃烧室作为燃烧室模型。燃烧室一次进水以及蒸发室二次进水结合，达到了水以及水蒸气流对壁面的覆盖的目的，有利于燃烧室隔热并防止氧化物沉积。为避免冲压水来流流量的不稳定性，将燃烧室分为两个腔，中间以壅塞喉部分割，配合蒸发式的钝体稳定器，最大程度减少了不稳定冲压水流对燃烧室的影响，稳定燃烧为稳定的蒸发提供了条件。研究表明所设计的超压密封粉末供应装置结构简单，工作稳定；燃烧室燃烧流场的数值研究表明，大速差稳焰器配合蒸发室的双室结构在稳焰，隔热，防沉积等方面起到一定作用，能够满足水冲压发动机的性能需求。

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第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外相关研究综述

1.3 铝/水冲压发动机特点概述

1.4 本文主要研究内容

第2章 相间耦合以及燃烧模型

2.1铝粉颗粒与气相间的耦合

2.2 组分输运模型

2.3燃烧模型的广义有限速率方程应用

2.4颗粒表面反应

2.5 本章小结

第3章 粉末供应方案与数值模拟

3.1 供应系统总体方案

3.2 供应系统流化过程数值模拟

3.3 本章小结

第4章 发动机构型分析以及燃烧模拟

4.1 发动机总体构型

4.2 燃烧室方案对比

4.3 水冲压发动机燃烧规律分析

4.4 铝颗粒运动燃烧规律分析

4.5 三维模型计算结果

4.6 本章小结

结论

参考文献

致谢